Реферат: Компьютерная графика

Содержание

 

1. Виды компьютерной графики

2. Векторная графика

3. Растровая графика и пиксел

4. Фрактальная графика

5. Программное обеспечение

Список литературы

1. Виды компьютерной графики

Различают три видакомпьютерной графики. Это растровая графика, векторная графика и фрактальнаяграфика. Они отличаются принципами формирования изображения при отображении наэкране монитора или при печати на бумаге. В растровой графике изображениепредставляется в виде набора окрашенных точек. Такой метод представленияизображения называют растровым. Растровую графику применяют при разработкеэлектронных (мультимедийных) и полиграфических изданий. Иллюстрации,выполненные средствами растровой графики, редко создают вручную с помощьюкомпьютерных программ. Чаще всего для этой цели используют отсканированныеиллюстрации, подготовленные художниками, или фотографии. В последнее время дляввода растровых изображений в компьютер нашли широкое применение цифровые фото-и видеокамеры.

Большинство графическихредакторов, предназначенных для работы с растровыми иллюстрациями, ориентированыне столько на создание изображений, сколько на их обработку. В Интернете покаприменяются только растровые иллюстрации. Векторный метод – это методпредставления изображения в виде совокупности отрезков и дуг и т.д. В данномслучае вектор – это набор данных, характеризующих какой-либо объект.Программные средства для работы с векторной графикой предназначены в первуюочередь для создания иллюстраций и в меньшей степени для их обработки. Такиесредства широко используют в рекламных агентствах, дизайнерских бюро, редакцияхи издательствах. Оформительские работы, основанные на применении шрифтов ипростейших геометрических элементов, решаются средствами векторной графикимного проще.

Растровое изображениестроится из множества пикселей.
Векторное изображение описывается в виде последовательности команд. Растровыерисунки эффективно используются для представления реальных образов.

Векторная графика непозволяет получать изображения фотографического качества.

При масштабировании ивращении растровых картинок возникают искажения.

Векторные изображениямогут быть легко преобразованы без потери качества.

Растровые рисунки могутбыть легко напечатаны на принтерах. Векторные рисунки иногда не печатаются иливыглядят на бумаге не так, как хотелось бы. Программные средства для работы сфрактальной графикой предназначены для автоматической генерации изображенийпутем математических расчетов. Создание фрактальной художественной композициисостоит не в рисовании или оформлении, а в программировании. Фрактальная графика,как и векторная — вычисляемая, но отличается от неё тем, что никакие объекты впамяти компьютера не хранятся. Изображение строится по уравнению (или посистеме уравнений), поэтому ничего, кроме формулы, хранить не надо. Изменивкоэффициенты в уравнении, можно получить совершенно другую картину. Способностьфрактальной графики моделировать образы живой природы вычислительным путемчасто используют для автоматической генерации необычных иллюстраций.

 2. Векторнаяграфика

В отличие от растровойграфики в векторной графике изображение строится с помощью математическихописаний объектов, окружностей и линий. Хотя на первый взгляд это можетпоказаться сложнее, чем использование растровых массивов, но для некоторыхвидов изображений использование математических описаний является более простымспособом. Ключевым моментом векторной графики является то, что она используеткомбинацию компьютерных команд и математических формул для объекта. Этопозволяет компьютерным устройствам вычислять и помещать в нужном месте реальныеточки при рисовании этих объектов. Такая особенность векторной графики дает ейряд преимуществ перед растровой графикой, но в тоже время является причиной еенедостатков. Векторную графику часто называют объектно-ориентированной графикойили чертежной графикой. Простые объекты, такие как окружности, линии, сферы,кубы и тому подобное называется примитивами, и используются при создании болеесложных объектов. В векторной графике объекты создаются путем комбинации различныхобъектов. Для создания объектов примитивов используются простые описания.Прямая линия, дуги, окружности, эллипсы и области однотонного или изменяющегосясвета – это двухмерные рисунки, используемые для создания детализированныхизображений. В трехмерной компьютерной графике для создания сложных рисунковмогут использоваться такие элементы как сферы, кубы. Команды, описывающиевекторные объекты большинству пользователей возможно никогда не придетсяувидеть. Определять, как описывать объекты будет компьютерная программа,которая используется для подготовки векторных объектов. Для создания векторныхрисунков необходимо использовать один из многочисленных иллюстрационныхпакетов. Достоинство векторной графики в том, что описание является простым изанимает мало памяти компьютера. Однако недостатком является то, что детальныйвекторный объект может оказаться слишком сложным, он может напечататься не втом виде, в каком ожидает пользователь или не напечатается вообще, если принтернеправильно интерпретирует или не понимает векторные команды. Программывекторной графики способны создавать растровые изображения в качестве одного изтипов объектов. Это возможно потому, что растровый рисунок просто наборинструкций для компьютера, и так как инструкции эти очень просты, то векторнаяграфика способна воспринимать растровые изображения наравне с остальнымиобъектами, хотя можно поместить растровые изображения в виде объекта векторномформате, но не удается отредактировать и изменить в нем отдельные пиксели.

ASCII – компьютерный коддля представления цифровых символов. Существует всего 256 возможных двухзначныхшестнадцатеричных кодов, поэтому ASCII содержит 256 символов по одному на любоезначение кода. Иногда векторные форматы представляют выбор способа кодирования данныхв файле. Двоичное кодирование использует минимум один знак 0 и 1 для записиданных, тогда как ASCII кодирование применяет минимум восемь 0 и 1 для записилюбого элемента данных. Выбор двоичного кодирования вместо ASCII влияет наразмер файла изображения только в том случае, если файл содержит данныерастрового рисунка. Если заполнить данное растровое изображение в виде кодовASCII, то размер файла увеличится в два, а то и три раза.

Различные векторныеформаты обладают различными цветовыми возможностями. Простейшие форматы,которые могут не содержать вообще никакой информации о цвете, используют цветпо умолчанию тех устройств, на которые они выводятся, другие форматы способнысохранять данные о полном тридцати двух битном цвете. Какую бы цветовую модельне применял бы векторный формат, на размер файла он не влияет, кроме техслучаев, когда файл содержит растровые образы. В обычных векторных объектахзначение цвета относится ко всему объекту в целом. Цвет объекта хранится в видечасти его векторного описания. Некоторые векторные файлы могут создатьрастровый эскиз изображений хранящихся в них. Эти растровые картинки, иногданазываемые краткими описаниями изображений, обычно представляют собой эскизывекторных рисунков в целом. Краткое описание изображения, особенно полезно вситуациях, когда вы не хотите открывать весь файл, чтобы посмотреть, что в немхранится или когда вы не можете видеть векторный рисунок во время егоиспользования. Первая ситуация возникает, когда вам необходимо найти файл спомощью одной из многих специально разработанных для этого программ. Дляоблегчения поиска нужного векторного файла такие программы могут считыватьрастровый эскиз изображения и другие характеристики, например, векторныйформат, время создания, битовую глубину изображения и так далее. Втораяситуация возникает, когда в каком-либо издательском пакете помещается настраницу векторный рисунок. Изображение, которое вы увидите, будет растровымэскизом настоящего векторного рисунка, у которого нельзя изменить размер, обрезатьили как-то иначе обработать изображение. За эскизы изображения приходитсярасплачиваться памятью, т.к. эскизы – это растровая версия рисунков, арастровые данные используют много памяти компьютера.

Достоинства векторнойграфики.

Самая сильная сторона векторнойграфики в том, что она использует все преимущества разрешающей способностилюбого устройства вывода. Это позволяет изменять размеры векторного рисунка безпотери его качества. Векторные команды просто сообщают устройству вывода, чтонеобходимо нарисовать объект заданного размера, используя столько точек скольковозможно. Другими словами, чем больше точек сможет использовать устройствовывода для создания объекта, тем лучше он будет выглядеть. Растровый форматфайла точно определяет, сколько необходимо создать пикселей и это количествоизменяется вместе с разрешающей способностью устройства вывода. Вместо этогопроисходит одно из двух либо при увеличении разрешающей способности, размеррастровой окружности уменьшается, так как уменьшается размер точки составляющихпиксель; либо размер окружности остается одинаковым, но принтеры с высокойразрешающей способностью используют больше точек для любого пикселя. Векторнаяграфика обладает еще одним важным преимуществом, здесь можно редактироватьотдельные части рисунка не оказывая влияния на остальные, например, если нужносделать больше или меньше только один объект на некотором изображении,необходимо просто выбрать его и осуществить задуманное. Объекты на рисункемогут перекрываться без всякого воздействия друг на друга. Векторноеизображение, не содержащее растровых объектов, занимает относительно не большоеместо в памяти компьютера. Даже очень детализированные векторные рисунки,состоящие из 1000 объектов, редко превышают несколько сотен килобайт.

Недостатки векторнойграфики.

Природа избегает прямыхлиний. К сожалению, они являются основными компонентами векторных рисунков. Донедавнего времени это означало, что уделом векторной графики были изображения,которые никогда не старались выглядеть естественно, например, двухмерныечертежи и круговые диаграммы, созданные специальными программами САПР, двух итрех мерные технические иллюстрации, стилизованные рисунки и значки, состоящиеиз прямых линий и областей, закрашенных однотонным цветом. Векторные рисункисостоят из различных команд посылаемых от компьютера к устройствам вывода(принтеру). Принтеры содержат свои собственные микропроцессоры, которыеинтерпретируют эти команды и пытаются их перевести в точки на листе бумаги.Иногда из-за проблем связи между двумя процессорами принтер не можетраспечатать отдельные детали рисунков. В зависимости от типов принтераслучаются проблемы, и у вас может оказаться чистый лист бумаги, частичнонапечатанный рисунок или сообщение об ошибке.

 3. Растроваяграфика и пиксель

Компьютерная индустрияпородила сотни новых и необычных терминов, пытаясь объяснить, что такоекомпьютер и как он работает. Термин растровая графика достаточно очевиден, еслиусвоить понятия, относящиеся к растровым изображениям. Растровые изображениянапоминают лист клетчатой бумаги, на котором любая клетка закрашена либочерным, либо белым цветом, образуя в совокупности рисунок. Пиксел – основнойэлемент растровых изображений. Именно из таких элементов состоит растровоеизображение. В цифровом мире компьютерных изображений термином пиксельобозначают несколько разных понятий. Это может быть отдельная точка экранакомпьютера, отдельная точка напечатанная на лазерном принтере или отдельныйэлемент растрового изображения. Эти понятия не одно и тоже, поэтому чтобыизбежать путаницы следует называть их следующим образом: видео пиксель приссылке на изображение экрана компьютера; точка при ссылке на отдельную точку,создаваемую лазерным принтером. Существует коэффициент прямоугольностиизображения, который введен специально для изображения количества пикселейматрицы рисунка по горизонтали и по вертикали.

Возвращаясь к аналогии слистом бумаги можно заметить, что любой растровый рисунок имеет определенноеколичество пикселей в горизонтальных и вертикальных рядах. Существуют следующиекоэффициенты прямоугольности для экранов: 320х200, 320х240, 600х400, 640х480,800х600 и др. Этот коэффициент часто называют размером изображения.Произведение этих двух чисел дает общее количество пикселей изображения.Существует также такое понятие как коэффициент прямоугольности пикселей. Вотличие от коэффициента прямоугольности изображения он относится к реальнымразмерам видео пиксель и является отношением реальной ширины к реальной высоте.Данный коэффициент зависит от размера дисплея и текущего разрешения, и поэтомуна разных компьютерных системах принимает различные значения. Цвет любогопикселя растрового изображения запоминается в компьютере с помощью комбинациибитов. Чем больше битов для этого используется, тем больше оттенков цветовможно получить. Число битов, используемых компьютером для любого пикселя,называется битовой глубиной пикселя. Наиболее простое растровое изображениесостоит из пикселей имеющих только два возможных цвета черный и белый, ипоэтому изображения, состоящие из пикселей этого вида, называются однобитовымиизображениями. Число доступных цветов или градаций серого цвета равно 2 встепени равной количеству битов в пикселе.

Цвета, описываемые 24битами, обеспечивают более 16 миллионов доступных цветов и их часто называютестественными цветами. Растровые изображения обладают множеством характеристик,которые должны быть организованы и фиксированы компьютером. Размеры изображенияи расположение пикселей в нем это две основных характеристики, которые файлрастровых изображений должен сохранить, чтобы создать картинку. Даже еслииспорчена информация о цвете любого пиксель и любых других характеристикахкомпьютер все равно сможет воссоздать версию рисунка, если будет знать, какрасположены все его пиксели. Пиксель сам по себе не обладает никаким размером,он всего лишь область памяти компьютера, хранящая информацию о цвете, поэтомукоэффициент прямоугольности изображения не соответствует никакой реальнойразмерности. Зная только коэффициент прямоугольности изображения с некоторойразрешающей способностью можно определить настоящие размеры рисунка. Посколькуразмеры изображения хранятся отдельно, пиксель запоминаются один за другим, какобычный блок данных. Компьютеру не приходится сохранять отдельные позиции, онвсего лишь создает сетку по размерам заданным коэффициентом прямоугольностиизображения, а затем заполняет ее пиксель за пикселей. Это самый простой способхранения данного растрового изображения, но не самый эффективный с точки зренияиспользования компьютерного времени и памяти. Более эффективный способ состоитв том, чтобы сохранить только количество черных и белых пикселей в любойстроке. Этот метод сжимает данные, которые используют растровые изображения. Вэтом случае они занимают меньше памяти компьютера.

/> 4. Фрактальнаяграфика

Среди всех картинок,которые может создавать компьютер, лишь немногие могут поспорить с фрактальнымиизображениями, когда идет речь о подлинной красоте. У большинства из нас слово«фрактал» вызывает в памяти цветные завитушки, формирующие сложный,тонкий и составной узор. Но на самом деле этот термин имеет гораздо болееширокий смысл. Фрактал — объект, обладающий бесконечной сложностью, позволяющийрассмотреть столько же своих деталей вблизи, как и издалека. Земля – классическийпример фрактального объекта. Из космоса она выглядит как шаp. Если приближатьсяк ней, мы обнаружим океаны, континенты, побережья и цепи гор. Будемрассматривать горы ближе – станут видны еще более мелкие детали: кусочек землина поверхности горы в своем масштабе столь же сложный и неровный, как самагора. И даже еще более сильное увеличение покажет крошечные частички грунта,каждая из которых сама является фрактальным объектом.

Компьютеры даютвозможность строить модели таких бесконечно детализированных структур. Естьмного методов создания фрактальных изображений на компьютере. Два профессораматематики из Технологического института штата Джоржия разработали широкоиспользуемый метод, известный как Cистемы Итерируемых Функций (СИФ). С помощьюэтого метода создаются реалистичные изображения природных объектов, таких,например, как листья папоротника, деревья, при этом неоднократно применяютсяпреобразования, которые двигают, изменяют в размере и вращают частиизображения. В СИФ используется самоподобие, которое есть у творений природы, иобъект моделируется как композиция множества мельчайших копий самого себя.Фрактальные изображения с многоцветными завитушками относятся обычно к разрядутак называемых фракталов с временным порогом, которые изображаются точками накомплексной плоскости с цветами, отражающими время, требуемое для того, чтобыорбита данной точки перешла («перебежала») определенную границу.Комплексная плоскость — как координатная плоскость с осями x и y. По парекоординат точка строится на комплексной плоскости так же, как и точка наплоскости Oxy, но числа имеют другой, необычный смысл: они обладают мнимойкомпонентой, называемой i, которая равна квадратному корню из -1. (Вот почему i- мнимая единица — в действительности корень из -1 не существует). Это искажаетобычные правила математики, так что такие общепринятые операции как умножениедвух чисел, дают необычные результаты.

Наиболее известныйфрактал, множество Мандельброта – фрактал с временным порогом. Для каждой точкина экране компьютер считает координаты серии точек, определяющих мнимый путь,называемый орбитой. Точки, чьи орбиты никогда не выходят за пределы мнимогоцилиндра, расположенного в начале координат комплексной плоскости, считаютсяэлементами множества Мандельброта и обычно закрашиваются черным. Точки, чьиорбиты выходят за пределы цилиндра, раскрашиваются в соответствии с быстротой«убегания»: пиксель, чья орбита покидает цилиндр, например, на шестойитерации, можно раскрасить голубым, a тот — орбите которого требуется для этогосемь итераций — красным. В результате на изображении получим множествоМандельброта и его окружение с «нестабильными» областями фрактала — областями, для которых малые изменения формулы ведут к большой разнице ворбитальном поведении. Это характеризуется густотой закраски рисунка. Меняяформулу для подсчета орбит, получим другие, такие же экзотические фракталы с временнымпорогом. Бесконечно детализированная структура множества Мандельбротастановится «ясной», когда вы увеличиваете произвольную область.Неважно, сколь маленький участок вы рассматриваете: рисунок, который выувидите, будет одинаково сложным. Почему? Потому что в двумерной плоскости, накоторой строится множество Мандельброта, любая область содержит бесконечноечисло точек. Когда вы выбираете область для отображения, компьютер точкам изобласти ставит в соответствие точки на экране. И каждая точка, выбранная какугодно близко к другой, имеет свою характеристическую орбиту, порождающуюсоответствующий цветовой узор.

Математической основойфрактальной графики является фрактальная геометрия. Здесь в основу методапостроения изображений положен принцип наследования от, так называемых,«родителей» геометрических свойств объектов-наследников.

Понятия фрактал,фрактальная геометрия и фрактальная графика, появившиеся в конце 70-х, сегодняпрочно вошли в обиход математиков и компьютерных художников. Слово фракталобразовано от латинского fractus и в переводе означает «состоящий изфрагментов». Оно было предложено математиком Бенуа Мандельбротом в 1975 годудля обозначения нерегулярных, но самоподобных структур, которыми он занимался.

Фракталом называетсяструктура, состоящая из частей, которые в каком-то смысле подобны целому. Однимиз основных свойств фракталов является самоподобие. Объект называютсамоподобным, когда увеличенные части объекта походят на сам объект и друг надруга. Перефразируя это определение, можно сказать, что в простейшем случаенебольшая часть фрактала содержит информацию обо всем фрактале.

В центре фрактальнойфигуры находится её простейший элемент — равносторонний треугольник, которыйполучил название «фрактальный». Затем, на среднем отрезке сторон строятсяравносторонние треугольники со стороной, равной (1/3a) от стороны исходногофрактального треугольника. В свою очередь, на средних отрезках сторонполученных треугольников, являющихся объектами-наследниками первого поколения,выстраиваются треугольники-наследники второго поколения со стороной (1/9а) от стороныисходного треугольника.

Таким образом, мелкиеэлементы фрактального объекта повторяют свойства всего объекта. Полученныйобъект носит название «фрактальной фигуры». Процесс наследования можнопродолжать до бесконечности. Таким образом, можно описать и такой графическийэлемент, как прямую. Изменяя и комбинирую окраску фрактальных фигур можномоделировать образы живой и неживой природы (например, ветви дерева илиснежинки), а также, составлять из полученных фигур «фрактальную композицию».Фрактальная графика, также как векторная и трёхмерная, является вычисляемой. Еёглавное отличие в том, что изображение строится по уравнению или системеуравнений. Поэтому в памяти компьютера для выполнения всех вычислений, ничегокроме формулы хранить не требуется.

Только изменивкоэффициенты уравнения, можно получить совершенно другое изображение. Эта идеянашла использование в компьютерной графике благодаря компактностиматематического аппарата, необходимого для ее реализации. Так, с помощьюнескольких математических коэффициентов можно задать линии и поверхности оченьсложной формы. Итак, базовым понятием для фрактальной компьютерной графикиявляются «Фрактальный треугольник». Затем идет «Фрактальная фигура»,«Фрактальный объект»; «Фрактальная прямая»; «Фрактальная композиция»;«Объект-родитель» и «Объект наследник». Следует обратить Ваше внимание на то,что фрактальная компьютерная графика, как вид компьютерной графики двадцатьпервого века получила широкое распространение не так давно. Её возможноститрудно переоценить. Фрактальная компьютерная графика позволяет создаватьабстрактные композиции, где можно реализовать такие композиционные приёмы как,горизонтали и вертикали, диагональные направления, симметрию и асимметрию и др.Сегодня немногие компьютерщики в нашей стране и за рубежом знают фрактальнуюграфику. С чем можно сравнить фрактальное изображение?

Ну, например, со сложнойструктурой кристалла, со снежинкой, элементы которой выстраивается в однусложную структуру. Это свойство фрактального объекта может быть удачноиспользовано при составлении декоративной композиции или для создания орнамент.Сегодня разработаны алгоритмы синтеза коэффициентов фрактала, позволяющеговоспроизвести копию любой картинки сколь угодно близкой к исходному оригиналу.С точки зрения машинной графики фрактальная геометрия незаменима при генерацииискусственных облаков, гор, поверхности моря. Фактически благодаря фрактальнойграфике найден способ эффективной реализации сложных неевклидовых объектов,образы которых весьма похожи на природные.

Геометрические фракталына экране компьютера — это узоры, построенные самим компьютером по заданнойпрограмме. Помимо фрактальной живописи существуют фрактальная анимация и фрактальнаямузыка.

Создатель фракталов — этохудожник, скульптор, фотограф, изобретатель и ученый в одном лице. Вы самизадаете форму рисунка математической формулой, исследуете сходимость процесса,варьируя его параметры, выбираете вид изображения и палитру цветов, то естьтворите рисунок «с нуля». В этом одно из отличий фрактальных графическихредакторов (и в частности — Painter) от прочих графических программ.

Например, в AdobePhotoshop изображение, как правило, «с нуля» не создается, а толькообрабатывается. Другой самобытной особенностью фрактального графическогоредактора Painter (как и прочих фрактальных программ, например Art Dabbler)является то, что реальный художник, работающий без компьютера, никогда недостигнет с помощью кисти, карандаша и пера тех возможностей, которые заложеныв Painter программистами.

 5. Программноеобеспечение

Растровую графикуприменяют при разработке электронных (мультимедийных) и полиграфическихизданий. Иллюстрации, выполненные средствами растровой графики, редко создаютвручную с помощью компьютерных программ. Чаще для этой цели используютсканируют иллюстрации, подготовленные художником на бумаге, или фотографии. Впоследнее время для ввода растровых изображений в компьютер нашли широкоеприменение цифровые фото- и видеокамеры. Соответственно, большинство графическихредакторов, предназначенных для работы с растровыми иллюстрациями,ориентированы не столько на создание изображений, сколько на их обработку. ВИнтернет пока применяются только растровые иллюстрации. Программные средствадля работы с векторной графикой наоборот предназначены, в первую очередь, длясоздания иллюстраций и в меньшей степени для их обработки. Такие средствашироко используют в рекламных агентствах, дизайнерских бюро, редакциях ииздательствах. Оформительские работы, основанные на применении шрифтов ипростейших геометрических элементов, решаются средствами векторной графикинамного проще. Существуют примеры высокохудожественных произведений, созданныхсредствами векторной графики, но они скорее исключение, чем правило, посколькухудожественная подготовка иллюстраций средствами векторной графики чрезвычайносложна.

Программные средства дляработы с фрактальной графикой предназначены для автоматической генерацииизображений путем математических расчетов. Создание фрактальной художественнойкомпозиции состоит не в рисовании или оформлении, а в программировании.Фрактальную графику редко применяют для создания печатных или электронныхдокументов, но ее часто используют в развлекательных программах.

Список литературы

1.  Джеф Проузис. Как работаеткомпьютерная графика. – СПб.: Питер, 2008. – 654 с.

2.  Жвалевский А., Гурская И, Гурский Ю.Компьютерная графика: Photoshop CS3, CorelDRAW X3, Illustrator CS3. Трюки иэффекты. – СПб.: Питер, 2008. – 992 с.

3.  Божко А., Жук Д.М., Маничев В.Б.Компьютерная графика. Гриф УМО ВУЗов России. – М.: Издательство «МГТУ им.Баумана», 2007. – 392 с.

4.  Вишневская Л. Компьютерная графикадля школьников. – М.: Новое знание, 2007. – 160 с.

5.  Летин А., Пашковский И., Летина О.Компьютерная графика. Гриф МО РФ. – М.: Форум, 2007. – 256 с.

6.  Сергеев А., Кущенко С. Основыкомпьютерной графики. Adobe Photoshop и CorelDRAW – два в одном. Самоучитель. –М.: Диалектика, 2007. – 544 с.

7.  Андреев О.Ю., Музыченко В.Л.Самоучитель компьютерной графики. Учебное пособие. – М.: Триумф, 2007. – 432 с.